FR2848297A1 - Procede et installation pour determiner la fin de la reticulation d'un compose de matieres synthetiques reactives - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un procédé et une installation pour déterminer la fin de la réticulation d'un composé de matières synthétiques et qui permet de piloter tout processus de transformation des matières plastiques et composites à partir de l'état de la matière en dépit de la grande variabilité des conditions dudit processus.Le dispositif (10) comporte un capteur de flux de chaleur (12) implanté dans un moule (17, 18) d'un dispositif de transformation (11) contenant un composé (19) de matières synthétiques réactives en cours de réticulation. Ce capteur délivre à un module d'acquisition et de traitement (13) le flux thermique émis par le composé (19). Ce module d'acquisition et de traitement (13) mesure en continu la variation du flux thermique émis et la dérivée par rapport au temps de cette variation. On détermine la fin de la réaction quand ladite dérivée reste constamment au-dessous d'un seuil prédéterminé. Un régulateur délivre alors un signal électrique pour piloter la commande de l'ouverture du dispositif de transformation (11) après un temps de temporisation prédéterminé.
Description
PROCEDE ET INSTALLATION POUR DETERMINER LA FIN DE LA RETICULATION D'UN
COMPOSE DE MATIERES SYNTHETIQUES
REACTIVES
La présente invention concerne un procédé pour déterminer la fin de la réticulation d'un composé de matières synthétiques réactives dans un dispositif de transformation, notamment un module de compression, et pour piloter le cycle de transformation par la commande de l'ouverture dudit dispositif de transformation contenant ledit composé.
Elle concerne également une installation pour déterminer la fin de la réticulation d'un composé de matières synthétiques réactives dans un dispositif de transformation, notamment un module de compression, et pour piloter le cycle de transformation par la commande de l'ouverture dudit i5 dispositif de transformation contenant ledit composé.
Les matériaux composites du type textile pré-imprégné à matrice thermodurcissable ou, par exemple, du type en feuilles moulées sont mis en oeuvre par pressage à chaud sous forte pression. La matrice subit une 20 transformation par réticulation en piégeant les fibres de renfort pour former un matériau résistant. Il est cependant difficile de reproduire les conditions de mise en oeuvre de ces matériaux, surtout dans le cas particulier des expériences de caractérisation, en raison de la grande hétérogénéité de ces matériaux, due aux diverses charges et composants les constituant. Les 25 proportions de ces constituants sont en outre variables et les conditions de mise en oeuvre évoluent en fonction des paramètres environnementaux et logistiques. Ces paramètres concernent entre autres, l'hygrométrie, la température, le stockage, l'évaporation, le dé-filmage, la masse des flans, etc. L'augmentation des contraintes concurrentielles dans l'industrie de transformation des matières plastiques et d'élaboration des composites exige l'amélioration de la productivité et de la qualité desdits produits.
Habituellement, le temps de cuisson du matériau est généralement fixé en fonction de la pression de la presse, de l'épaisseur du composite, de la température du moule, de la nature et de la réactivité de la matrice, de la 5 formulation du composé (catalyseurs, accélérateurs, inhibiteurs, nature des charges et renforts minéraux, fibres de carbone, fibres de verre, magnésium, fibres naturelles, fibres synthétiques thermoplastiques, etc.), des échanges de quantités de chaleur entre le matériau en cours de transformation et le moule (apports et déperditions thermiques), de la modification de la structure du lo matériau par réticulation, etc. Cette variabilité engendre d'autres phénomènes d'instabilité qui modifient grandement la qualité des produits résultants. A ces inconvénients s'ajoute également la grande difficulté à contrôler avec précision la transformation de 15 la matrice au cours de l'élaboration.
En production, ces inconvénients se traduisent par une difficulté à reproduire les conditions optimales de mise en oeuvre et sont préjudiciables à l'optimisation de la durée du cycle et, par voie de conséquence, à la 20 productivité, à la conformité aux normes et aux exigences de qualité des produits résultants, en l'occurrence la tenue mécanique et la qualité de surface desdits produits.
Le pilotage du processus de transformation du matériau notamment par la 25 compression s'avère particulièrement difficile.
Habituellement, on utilise des capteurs de température, de pression, à ultrasons, de di-électrimétrie et à infrarouge, qui renseignent sur l'état du matériau durant sa transformation. Mais ces capteurs ne délivrent qu'une 30 information partielle et peu pertinente sur l'ensemble des transformations au coeur du matériau.
En outre, ces capteurs débouchent dans la cavité du moule ce qui exige une bonne étanchéité, un usinage précis, une bonne tenue à la pression, une importante force de serrage et au collage à froid. Les capteurs sont également sujets à une usure prématurée et à la déformation de la surface de 5 contact, etc. La durée de vie de ces dispositifs s'avère donc limitée, ce qui ne favorise pas leur implantation dans les moyens de production.
Le but de la présente invention est de pallier ces inconvénients en fournissant un procédé qui permet de piloter tout processus de transformation des 1o matières plastiques et composites à partir de l'état de la matière en dépit de la grande variabilité des conditions dudit processus. Il devient dès lors approprié d'automatiser le processus autour des données remarquables du composé de matières synthétiques réactives en cours de transformation de manière à mieux en contrôler la qualité quelles que soient les instabilités cumulées liées 15 audit composé de matières synthétiques réactives et à l'environnement et, par voie de conséquence, de gagner en productivité et en qualité, de manière à élaborer des produits conformes aux normes.
Ce but est atteint par un procédé tel que décrit en préambule, caractérisé en ce 20 que - on mesure en continu la variation du flux thermique émis par ledit composé de matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation, - on calcule la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée et on en déduit un état des matières synthétiques réactives dans le 25 dispositif de transformation, - on détermine la fin de la réaction quand la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée reste constamment au-dessous d'un premier seuil prédéterminé et, - on commande l'ouverture du dispositif de transformation après un temps de 30 temporisation prédéterminé.
Selon un mode de réalisation préféré, pour mesurer en continu la variation du flux thermique émis par ledit composé de matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation: - on effectue une mesure de la variation au cours d'un cycle de mesure et on en déduit l'inertie propre dudit dispositif de transformation, - on calcule une constante de temps correspondant audit dispositif de transformation et audit composé de matières synthétiques réactives, et - on corrige la mesure en continu de la variation du flux thermique en fonction de cette constante de temps.
En cas d'une variation anormale de la pression du dispositif de transformation, on peut déterminer la fin de la réaction quand la variation du flux thermique mesurée a atteint un deuxième seuil prédéterminé supérieur à zéro et que la dérivée par rapport au temps de ladite variation du flux 15 thermique mesurée reste constamment audessous d'un troisième seuil prédéterminé. Le temps de temporisation prédéterminé peut être compris entre 0 et 60 secondes et de préférence entre 0 et 25 secondes.
De manière préférentielle, ledit premier seuil au-dessous duquel doit passer la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée est compris entre 0 et 20% de la valeur maximale de ladite dérivée et de préférence entre 10 et 20% de la valeur de cette dérivée par rapport au 25 temps.
Ledit deuxième seuil supérieur à zéro que doit atteindre la variation du flux thermique mesurée doit être compris entre 10% et 20% de la valeur maximale de ladite variation du flux thermique mesurée et de préférence de l'ordre de 30 15% de ladite valeur maximale de cette variation, ledit troisième seuil audessous duquel doit rester la dérivée par rapport au temps étant compris entre 10% et 20% de la valeur maximale de ladite dérivée.
Ce but est également atteint par une installation telle que définie en préambule et caractérisée en ce qu'elle comporte: - des premiers moyens pour mesurer en continu la variation du flux thermique s émis par ledit composé de matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation, - des deuxièmes moyens pour calculer la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée et pour en déduire un état des matières synthétiques réactives dans ledit dispositif de transformation, io - des troisièmes moyens pour déterminer la fin de la réaction quand la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée reste constamment au-dessous d'un premier seuil prédéterminé et, - des quatrièmes moyens pour commander l'ouverture du dispositif de transformation après un temps de temporisation prédéterminé.
D'une manière avantageuse, lesdits premiers moyens comportent un capteur de flux de chaleur à déviation de flux implanté dans un moule dudit dispositif de transformation et lesdits deuxièmes et troisièmes moyens comportent un module d'acquisition et de traitement agencé pour délivrer un signal électrique 20 d'ouverture de ce dispositif de transformation.
D'une manière préférentielle, lesdits quatrièmes moyens comportent un dispositif de commande de l'ouverture dudit dispositif de transformation agencé pour recevoir un signal électrique dudit module d'acquisition et de 25 traitement.
La présente invention et ses avantages apparaîtront mieux dans la description suivante de différents modes de réalisation de l'invention, en référence aux dessins annexés, dans lesquels 30 - la figure 1 représente une vue en coupe longitudinale partielle de l'installation selon l'invention, - la figure 2 représente les courbes de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée et de la température à l'interface entre le moule du dispositif de transformation pour un premier composé de matières synthétiques réactives, - la figure 3 représente les courbes de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée et de la température au coeur d'un second composé de matières synthétiques réactives, - la figure 4 représente les courbes de la variation du flux thermique mesurée et de sa dérivée par rapport au temps en cas d'anomalie de fonctionnement du dispositif selon l'invention.
En référence à la figure 1, l'installation 10 permettant de mesurer la fin de la réaction d'un composé de matières synthétiques réactives comporte un dispositif de transformation 11, un capteur de flux de chaleur à déviation de flux 12 relié à un module d'acquisition et de traitement 13, ledit module d'acquisition et de traitement 13 étant connecté à une commande 14 (non 20 représentée) du dispositif de transformation 11 par l'intermédiaire d'une sortie optocouplée 15. Le dispositif de transformation 11 comporte un élément de compression 16 et un moule constitué d'un poinçon 17 et d'une matrice 18. A l'intérieur de la matrice 18 est placée une masse d'un composé 19 de matières synthétiques réactives contenant des catalyseurs.
Le poinçon 17 et la matrice 18 sont contrôlés en température. Le capteur de flux de chaleur à déviation de flux 12 est implanté dans la matrice 18.
Lorsque le dispositif de transformation 11 est fermé, il chauffe la masse de 30 composé 19 de matières synthétiques réactives tout en la comprimant. Cette masse flue en remplissant la matrice 18 et en se refroidissant. Le capteur de flux de chaleur à déviation de flux 12 mesure en continu un flux thermique émis par le composé 19 dans le dispositif de transformation 11. Un calculateur incorporé dans le module d'acquisition et de traitement 13 détermine en continu la variation du flux thermique à partir des données délivrées par le capteur de flux de chaleur à déviation de flux 12. Ce s calculateur du module d'acquisition et de traitement 13 calcule également la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée.
Les figures 2 et 3 représentent les courbes 20 et 30 de la dérivée par rapport au temps t de la variation du flux thermique mesurée respectivement dans le io cas de la transformation d'un composite en feuilles moulées communément appelé matériau de type SMC (Sheet Moulding Compound) et dans le cas de la transformation d'un matériau de type textile thermoplastique pré-imprégné par une matrice polymérique thermodurcissable. Ladite dérivée est une -jS2 M-2 fonction appelée "Indicateur Etat Matière" (IEM) et se mesure en J.s.m 15 (oules par seconde au carré et par mètre au carré). Cette fonction est représentative de l'état, en temps réel, du composé de matières synthétiques réactives en cours de transformation.
Lorsque la masse de composé 19 de matières synthétiques réactives 20 s'échauffe, sa viscosité diminue. Cet état correspond à la portion descendante 21, 31 de la courbe 20, 30. Lorsque la quantité de chaleur absorbée par la masse de composé atteint l'énergie d'activation des catalyseurs contenus dans ledit composé, lesdits catalyseurs entrent en action. Le composé devient alors plus chaud que le poinçon 17 et la matrice 25 18 du moule. L'écoulement du flux thermique s'inverse. Cette étape correspond à la portion ascendante 22, 32 de la courbe 20, 30 de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée. Ensuite, le composé 19 réticule et se solidifie jusqu'à un maximum 23, 33 à partir duquel la réaction commence à diminuer.
Un régulateur pré-programmé incorporé dans le module d'acquisition et de traitement 13 détecte la fin de la réticulation lorsque la courbe 20, 30 de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée passe et reste constamment au-dessous d'un premier seuil prédéterminé 24, 34.
Pendant toute la durée du traitement, le module d'acquisition et de traitement 5 13 délivre sur sa sortie optocouplée 15, un signal électrique destiné à piloter la commande de l'ouverture du dispositif de transformation 11. Ce signal électrique ne peut avoir que deux valeurs distinctes: - il est égal à zéro dès la fermeture du dispositif de transformation 11 et reste à cette valeur tant que le régulateur du module d'acquisition et de 10 traitement 13 ne détecte pas la fin de la réaction, et que ledit dispositif de transformation 11 reste fermé - il prend la valeur 1 lorsque la fin de réticulation est détectée. A ce moment la sortie optocouplée, 15 reliée à la commande 14 du dispositif de transformation 11, informe celui-ci que la transformation est terminée. La 1 5 commande 14 peut alors ouvrir le dispositif de transformation 11 après un temps de temporisation donné. Ce temps de temporisation, fixé entre 0 et 60 secondes, est compris entre 0 et 25 secondes et de préférence de l'ordre de 5 secondes.
Le premier seuil prédéterminé 24, 34 indiquant la fin de la réaction est compris entre 0 et 20% de la valeur du maximum 23, 33. Compte tenu des perturbations observées après la fin de la réticulation et qui se traduisent par une légère ondulation de la courbe 20, 30, ce premier seuil 24, 34 est fixé à 15% de la valeur du maximum 23, 33 de la courbe 20, 30 de la dérivée par 25 rapport au temps.
Le calculateur du module d'acquisition et de traitement 13 détermine en continu la variation du flux thermique émis par le composé de matières synthétiques réactives 19 dans le dispositif de transformation 11 en 30 déterminant la variation au cours d'un cycle de mesure, en en déduisant l'inertie propre de ce dispositif de transformation 11 et en calculant une constante de temps correspondant audit dispositif et au composé 19 de matières synthétiques réactives. Il peut alors corriger la mesure en continu de la variation du flux thermique en fonction de la constante de temps calculée.
Par rapport aux méthodes selon l'art antérieur, la détermination de la fin de la 5 réaction de réticulation d'un composé de matières synthétiques réactives 19 dans un dispositif de transformation 11 à partir de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique est un procédé très fiable et approprié pour la fabrication de matériaux aux propriétés reproductibles et conformes aux normes et aux exigences de qualité. En effet, la détection de la fin de la 1o réaction sur la courbe 20, 30 reste absolument pertinente. En revanche la courbe de la température 26 (fig. 2) à l'interface entre le moule et le composé de matières synthétiques réactives 19 et la courbe de la température 37 (fig. 3) au coeur du composé de matières synthétiques réactives déterminées selon l'art antérieur par un capteur de température tel qu'un thermocouple par 15 exemple, restent peu pertinentes. Les courbes 26 et 37 ne rendent pas suffisamment compte de l'état de la masse de composé 19 à chaque stade de la transformation et n'indiquent pas avec précision la fin de la réaction.
La figure 4 représente la courbe 50 de variation du flux thermique mesurée en 20 fonction du temps t et la courbe 40 de la dérivée par rapport au temps de cette variation du flux thermique mesurée lorsque l'on est en présence d'une variation anormale de la pression dans le dispositif de transformation 11 suite à une anomalie de fonctionnement de ce dispositif. Cette anomalie se traduit par une modification sensible de la résistance thermique de la masse de 25 composé 19 de matières synthétiques réactives, et en conséquence, du débit du flux thermique émis par ledit composé 19 dans le dispositif de transformation 1 1.
Dans ces conditions, le seul critère d'un seuil prédéterminé atteint par la 30 dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée ne suffit plus pour déterminer la fin de la réaction de réticulation. Deux régulateurs incorporés au module d'acquisition et de traitement 13 sont alors activés pour contrer ce fonctionnement anormal et déterminer la fin de la réaction. Le premier régulateur détecte si la courbe 50 de la variation du flux thermique 5 mesurée (exprimé en w.m-2) a atteint un deuxième seuil prédéterminé 51 supérieur à zéro. En effet la réaction est largement engagée et peut être validée lorsque la variation du flux thermique mesurée atteint des valeurs supérieures à zéro.
io Le deuxième régulateur ne détecte plus un premier seuil prédéterminé 44 sur la courbe 40 de la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée, mais un troisième seuil prédéterminé 48 supérieur audit premier seuil 44 validant la fin de la réaction. En effet, pour des pièces de faible épaisseur et de grande surface, les catalyseurs contenus dans la iS masse de composé 19 de matières synthétiques réactives migrent à la surface de ladite masse au cours de la réaction. Ces catalyseurs poursuivent encore une activité après le premier seuil 44. Ce phénomène se traduit par une légère ondulation de la courbe 40 de la dérivée par rapport au temps en queue de réaction. On fixe alors le seuil prédéterminé 48 supérieur aux 20 valeurs de la courbe 40 de la dérivée par rapport au temps dans la zone d'ondulation. Ce seuil prédéterminé 48 est fixé entre 10% et 20% de la valeur du maximum 43 et de préférence égal à 15% de cette valeur du maximum 43.
Cette légère activité provoque à la surface de la pièce résultante des défauts 25 d'aspect préjudiciables à sa qualité. On remédie à ce phénomène en différant l'ouverture du dispositif de transformation 11 par une temporisation additionnelle permettant une consolidation complète du matériau résultant. La temporisation est fixe et peut être ajustée pour une pièce donnée, en fonction de son épaisseur et d'un niveau de contrôle d'aspect de surface, 30 conformément à la qualité que l'on désire obtenir.
Le premier régulateur délivre un signal électrique de valeur 1 lorsque la courbe 50 de la variation du flux thermique mesurée a atteint le deuxième seuil prédéterminé 51 supérieur à zéro, et de valeur zéro dans le cas contraire. Le deuxième régulateur délivre un signal électrique de valeur 1 5 lorsque la courbe 40 de la dérivée par rapport au temps de ladite variation du flux thermique mesurée a atteint le seuil prédéterminé 48, et de valeur zéro dans le cas contraire. Les deux régulateurs sont connectés et reliés à la sortie optocouplée 15 du module d'acquisition et de traitement 13 pour délivrer un signal électrique unique résultant destiné à piloter la commande de l'ouverture 1o du dispositif 11. Ce signal électrique résultant a la valeur zéro lorsque chacun des signaux électriques délivrés par chacun des deux régulateurs a la valeur zéro ou lorsqu'ils ont des valeurs différentes. Le dispositif de transformation 11 reste alors fermé et la réaction se poursuit. Lorsque les signaux électriques des deux régulateurs ont simultanément la valeur 1 (le deuxième 15 seuil 51 et le troisième seuil 48 étant atteints), la valeur du signal électrique résultant passe à 1 au bout de du temps de temporisation souhaitée. Le dispositif de transformation 11 est alors ouvert et la pièce résultante est extraite. Le procédé selon l'invention permet d'élaborer des matériaux ou des pièces aux propriétés conformes aux normes de qualité. Ce procédé s'applique aux processus industriels d'élaboration de matériaux à partir de composés de matières synthétiques réactives en association ou non avec des produits non réactifs, comme par exemple des matériaux composites à matrice polymère 25 et à renforts de fibres organiques.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation préférés donnés à titre d'exemples non limitatifs, mais s'étend à toutes les modifications et à toutes les variantes évidentes pour un homme du métier.
Claims (10)
1. Procédé pour déterminer la fin de la réticulation d'un composé de matières synthétiques réactives dans un dispositif de transformation, 5 notamment un module de compression, et pour piloter le cycle de transformation par la commande de l'ouverture dudit dispositif de transformation contenant ledit composé, caractérisé en ce que: - on mesure en continu la variation du flux thermique émis par ledit composé de matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation, 1o on calcule la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée et on en déduit un état des matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation, - on détermine la fin de la réaction quand la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée reste constamment au-dessous d'un i premier seuil prédéterminé (24, 34, 44) et, - on commande l'ouverture du dispositif de transformation après un temps de temporisation prédéterminé.
2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que pour mesurer 20 en continu la variation du flux thermique émis par ledit composé db matières synthétiques réactives dans le dispositif de transformation: - on effectue une mesure de la variation au cours d'un cycle de mesure et on en déduit l'inertie propre dudit dispositif de transformation, - on calcule une constante de temps correspondant audit dispositif de 25 transformation et audit composé de matières synthétiques réactives, et - on corrige la mesure en continu de la variation du flux thermique en fonction de cette constante de temps.
3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que, en cas d'une 30 variation anormale de la pression du dispositif de transformation, on détermine la fin de la réaction quand la variation du flux thermique mesurée a atteint un deuxième seuil prédéterminé (51) supérieur à zéro et que la dérivée par rapport au temps de ladite variation du flux thermique mesurée reste constamment au-dessous d'un troisième seuil prédéterminé (48).
4. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que le temps de 5 temporisation prédéterminé est compris entre 0 et 60 secondes et de préférence entre 0 et 25 secondes.
5. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit premier seuil (24, 34) au-dessous duquel doit passer la dérivée par rapport au temps 1o de la variation du flux thermique mesurée est compris entre 0 et 20% de la valeur maximale (23, 33) de ladite dérivée par rapport au temps et de préférence entre 10 et 20% de cette valeur maximale.
6. Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que ledit deuxième is seuil (51) supérieur à zéro que doit atteindre la variation du flux thermique mesurée est compris entre 10% et 20% de la valeur maximale (53) de ladite variation du flux thermique mesurée et ledit troisième seuil (48) au-dessous duquel doit rester la dérivée par rapport au temps est compris entre 10% et 20% de la valeur maximale (43) de ladite dérivée par rapport au temps.
7. Installation (10) pour déterminer la fin de la réticulation d'un composé de matières synthétiques réactives dans un dispositif de transformation, notamment un module de compression, et pour piloter le cycle de transformation par la commande de l'ouverture dudit dispositif de 25 transformation contenant ledit composé, caractérisée en ce qu'elle comporte: - des premiers moyens pour mesurer en continu la variation du flux thermique émis par ledit composé de matières synthétiques réactives (19) dans le dispositif de transformation (1 1), - des deuxièmes moyens pour calculer la dérivée par rapport au temps de la 30 variation du flux thermique mesurée et pour en déduire un état du composé de matières synthétiques réactives (19) dans ledit dispositif de transformation (11), - des troisièmes moyens pour déterminer la fin de la réaction quand la dérivée par rapport au temps de la variation du flux thermique mesurée reste constamment au-dessous d'un premier seuil prédéterminé (24, 34, 44), et - des quatrièmes moyens pour commander l'ouverture du dispositif de transformation (11) après un temps de temporisation prédéterminé.
8. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits premiers moyens comportent un capteur de flux de chaleur à déviation de flux (12) implanté dans un moule (17, 18) dudit dispositif de transformation (11). ';
9. Installation selon la revendication 7, caractérisée en ce que lesdits deuxièmes et troisièmes moyens comportent un module d'acquisition et de traitement (13) agencé pour délivrer un signal électrique d'ouverture dudit dispositif de transformation (11).
10. Installation selon les revendications 7 et 9, caractérisée en ce que lesdits quatrièmes moyens comportent un dispositif de commande de l'ouverture dudit dispositif de transformation (11) agencé pour recevoir un signal électrique dudit module d'acquisition et de traitement (13).
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